7章芳香性全解课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 芳香性和芳香取代反应,1,7.1.,引 言,“芳香”一词是历史习惯造成的，当时人们得到的含苯环的化合物大多是从天然植物中提取的具有香味的物质，,如，从茴香中提取的茴香醚、从肉桂中提取的肉桂酸等有一种浓郁的香味，这一类有机物就以“芳香”一词来命名。,现代“芳香”则不再是指其味道，相反的苯、甲苯、萘等大多数的芳烃的气味十分难闻。,“芳香”是指芳烃具有的不同于脂肪烃的独特的性质,芳香性。,2,一. 芳香性化合物,1.,单环芳烃,苯,3,Sp,2,杂化,4,2.,具有芳香性的杂环化合物,呋喃,Furan,噻吩,Thiophene,吡咯,Pyrrole,吡唑,Pyrazole,咪唑,Idmiazole,噁唑,Oxazole,噻唑,Thiazole,5,苯并呋喃,Benzofuran,苯并噻吩,Thionaphene,吲哚（苯并吡咯,）,Indole,苯并噁唑,Benzoxazole,苯并噻唑,Benzothiazole,苯并咪唑,Benzoimidazole,6,吡啶,Pyridine,喹啉,Quinoline,异喹啉,Isoquinoline,哒嗪,Pyridazine,嘧啶,Pyrimidine,吡嗪,Pyrazine,7,吡咯,呋喃或噻吩,吡啶,8,三聚氰胺,三聚氰酸,三聚氰胺和三聚氰酸间的氢键结构示意图,9,地沟油中的有害物质之一,苯并芘,芘,苯并芘,10,地沟油中的有害物质之二,黄曲霉素,aflatoxin,黄曲霉素,11,族化合物（读“雷”音）,四个吡咯环的,-位碳原子和四个次甲基交替组成的大 共轭体系，18个 电子，符合4,n + 2,规则（双键修正后），所有的原子在一个平面上。,卟吩,(porphine),3.,其它具有芳香性的化合物及其相关质体,12,1,5,10,15,20,7,8,17 18,13,14,5,10,15,20-四苯基卟啉,5,10,15,20-tetraphenyl,porphyrin,15,2,3,7,8,12,13,17,18-,八乙基卟啉,2,3,78,12,13,17,18-,eight-,ethyl-porphyrin,16,族化合物广泛存在于自然界中，如,氯化血红素,17,叶绿素：,a = CH,3,b = CHO,类似卟啉化合物,18,中位（,meso,-,）,b-,位,归于卟啉类化合物具有的独特大环结构引起的特殊的物理性质和性能的各异,19,富勒烯（,Fullerene,）的介绍,20,富勒烯,C,60,是除石墨、金刚石以外碳的另一种同素异形体，分子式为,C,60,，由,12,个五边形和,20,个六边形组成 。,每个碳原子均以,sp,2,杂化轨道与相邻碳原子形成三个,s,键，它们不在一个平面内。每个碳原子剩下的,p,轨道彼此构成离域大,键，,具有芳香性。,富勒烯是,C,60,、,C,50,、,C,70,等,一类化合物,的总称。,21,结 构 特 点,分子中的单,-,双键形成了闭合的近似笼状的大,-,共,轭体系，具有三维芳香性特点,中间是空的碳笼：,内可形成内包物，外可形成各 种,衍生物,22,1994,年，全国性的一次有关,C,60,学术讨论会议上，中国著名教授,唐敖庆,在大会上发表了热情洋益的讲话，他说：,C,60,的发现和发展以来，对十大科学领域产生了巨大影响：,数、理、化、天、地、生、材料、医学、建筑及教育学,带来了巨大影响，与会者认为，,C,60,的研究意义和价值与超分子化学，团族化学相比毫不逊色。,23,1996,年的诺贝尔化学奖,为表彰在,富勒烯,研究中作出贡献的专家，英美三位化学,家分享了当年的诺贝尔化学奖：,1.,美国休斯顿,Rich,大学化学与物理学教授, 1943,年生,.,2.,美国休斯顿,Rich,大学化学教授,R.F.Curl Jr, 1933,年生,3.,英国布来顿,Sussex,大学化学教授,Hurold Kroto, 1939,生。,从这个实例说明，新的发现是不断地出现，学科是交叉的，知识面要宽。,24,J.-L. Hou (,侯军利,), H.-P. Yi, X.-B. Shao, C. Li, Z.-Q. Wu, L.-Z. Wu, C.-H. Tung, X.-K. Jiang, Z.-T. Li,Angew. Chem. Int. Ed.,2006,45, 796.,Supramolecular chiral amplification (,超分子手性放大,),25,结合模式,Z.-Q. Wu (,吴宗铨,), X.-B. Shao (,邵学斌,), C. Li, J.-L. Hou, K. Wang, X.-K. Jiang, Z.-T. Li,J. Am. Chem. Soc,. 2005,127, 17460.,卟啉分子镊：有效包结富勒烯及其衍生物,26,其它具有芳香性的质体,如：环丙烯基正离子,27,环戊二烯负离子,4,n + 2 = 6,有芳香性,28,环辛四烯负离子,非平面结构，8 个,p,电子( 4,n)。,29,环辛四烯双负离子,具有芳香性,30,4),卓,盐, 1891年由环庚三烯合成,4,n + 2 = 6,有芳香性,m.p. 203,o,C,黄色晶体,31,2,4,6-环庚三烯-2-醇-1-酮,m.p. 5051,o,C,Br,2,与,FeCl,3,显色,HNO,3,32, 分子中所有环节的原子都在同一个平面上；, 分子中有一个连续闭合的共轭体系，参与,共轭体系的,电子数为4,n + 2，n =,非负整数；,分子在外磁场中能产生环电流效应。,这三点是芳香性的特征。,二. 定义芳香性,33,-2.7,环电流效应,34,有特殊的稳定性，常温常压不被氧化；, 亲电取代反应优于加成反应,三. 具有芳香性化合物的特点和性质,由于分子轨道理论的发展和应用，对不同模型分子,的结构计算，特别是单烯、共轭烯烃、开链的、闭,合的，与芳香性分子比较，出现了下列,几种概念,。,35,芳香性分子的特点是较非环多烯有着明显的稳定化,作用，反芳香性分子是一种相对于多烯模型化合物而言,(如芳香性分子)，,稳定性降低了的分子,，如环丁二烯,非常不稳定。虽然共轭、闭合，,但,电子数不符合,4,n + 2,，,不共平面,，稳定性差，称为反芳香性。,7.2,反芳香性：,36,对于计算与多烯模型化合物,能量相差不多的分子,，,说明稳定性也是差不多，,但,电子数不符合4,n + 2,，,并且不共平面,，如环庚三烯负离子,7.3,非芳香性：,37,几种典型的芳香性、反芳香性、非芳香性质体,化合物,电子数 化合物,电子数,芳香性质体,环丙烯正离子,2,环戊二烯负离子,6,环庚三烯正离子,6,10,10,环辛四烯,双负离子,环壬四烯,负离子, 电子数,符合 4,n + 2,38,环丙烯负离子,非芳香性质体,8,化合物,电子数,反芳香性质体,环戊二烯正离子,4,4,电子数,不符合4,n + 2 ，,为 4,n,环庚三烯负离子,39,同芳香性是用来描述,一个稳定的环状,共轭体系是,越过一个,或者两个饱和,C,原子而形成的环状体系,，,电子数符合,4,n + 2,，,由于它具有芳香性分子的结构和性质特点，称这类,质体为同芳香性质体，如环辛三烯正离子(1,3,5环辛三烯,正离子)，越过一个饱和,C,原子后，形成一个闭合的共轭体,系，,电子数为6，符合4,n + 2,7.4,同芳香性：,40,越过一个饱和,C,原子后，形成一个闭合的共轭体系，,电子数为6，,符合4,n+2 ，,1,H NMR,证明：对于,A,结构，,Ha,和,Hb,有不同的化学位,移值，,Ha,受环电流的影响，比,Hb,出现在低场，为5.8,ppm,要使,A,翻转到,B，,要一定的能量，,G22.3,Kcalmol,A B,41,又如：1,3,6环壬三烯正离子，越过2个饱和,C,原子，,电子数为6,42,7.5,复杂多环化合物芳香性的简单判定方法,43,1931,年，,Huckel,提出了著名的4,n+2,规则，这个理论一直沿用,至今，但是,Huckel,理论只适合,n 6,的平面单环体系，对于某,些复杂的多环化合物并不适用，如，,因此，进行修正。,16,电子(不符合,4,n+2,)，但这个分子是平面的，有芳香性,I,Pyrene,，,芘,;,嵌二萘,44,Huckel,理论的修正方法,一. 周边修正法,1954年，,Plant,提出周边修正法，认为可以忽视稠环中间的,桥健而直接计算在外围可以形成离域的,电子数目，如果满,足4,n+2,规则，那么就可以初步说明此化合物具有芳香性。,用这种方法检验上列化合物,I,可以发现，它满足4,n+2,。具有芳香性。因为，这个双键没有参与到离域的共轭, 电子中去，如果忽略双键，则只是化合物的构型有所改变，周边仍然是离域的共轭电子体系，并符合,4,n+2,规则。,14,p,电子，符合,4,n,2,I,45,I II III,运用修正后的方法判断，下列化合物中，除,V,外，其余,均具有芳香性。,IV V,46,VIII,A,VIII,B,对于上列化合物,VIII,A,，,可以发现它周围的,电子数为,10,，,满足,4,n+2,规则，但实际上这个化合物并不具备芳香性。,当将其改写成,VIII,B,时，,虽然仍是此化合物，但这时的,电,子数为,12个，不符合,4,n+2,规则，所以不是芳香性化合物。,因此，可以得出结论，,当稠环的中间双键不对体系的离域,共轭,电子体系有影响时,，,即其只为保持整个化合物的平面构,型时，这样的双键才可以被忽略,，这时才可以正确使用,周边修正法,47,二. 双键修正法,IX X,这种修正法是忽略某些双键在芳环体系中的影响，即可以,忽略其中的双键，直接考虑其芳香性问题。因此，下列两,个化合物，忽略除萘环上的双键，可判定为芳香性化合物。,另外，改变共振式的写法，也能清楚地看出可以应用这种,方法说明它的芳香性问题,48,XI,A,XI,B,XII,A,XII,B,49,三. 单键修正法,当一个或多个芳香环之间通过一个单键相连，这时可以将,单键忽略，直接考虑化合物的芳香性问题。下列化合物可,以利用这种方法判定它们的芳香性问题。,XIII XIV XV XVI XVII,50,XVIII,A,XIII,B,XIX,A,XIX,B,其中，,XVIII,和,XIX,是改成共振结构后观察的。,参考文献：袁履冰等，大学化学，2004, 19(4), 5052.,51,7.6,芳香族亲电取代反应,52,一. 取代反应机理,通式如下：, 络合物, 络合物,s,53,54,二、亲电试剂及其反应活性,从以上机理可以看出，反应的决定步骤是亲电试剂的生成，,但事物总是两方面的，还有一个决定的是芳环的活性部位。,1. 常用亲电试剂及其生成方法,55,a.,既能取代致活，又能取代致钝的芳环的亲电试剂,亲电试剂 生成方法,56,b.,只取代致活的芳环，而不能与致钝的芳环作用,57,c.,只能取代高活性芳环的亲电试剂,58,二,.,亲电取代反应的特性与相对活性,：,致活效应：,取代基的影响使芳环的反应活性提高,；,致钝效应：,取代基的影响使芳环的反应活性降低。,第一类定位基：,卤素对芳环有致钝作用,第一类取代基 （除卤素外）具有,+I,，,或是,C,效应，,其作用是增大芳环的电子云密度。,59,第二类定位基：,具有,I,或,C,效应,使芳环上的电子云密度降低。,60,动力学控制与热力学控制,位取代动力学控制产物；,位取代热力学控制产物。,61,邻位和对位定向比：,1),亲电试剂的活性越高，选择性越低：,2),空间效应越大，对位产物越多：,62,极化效应：,X,具有,I,效应，使邻位的电子云密度降低。,F,Cl,Br,I,电负性,依次,降低,I,效应,依次,减小,电子云密度,降低的位置,是不利于,E,+,进攻的。,63,溶剂效应,E,+,被硝基苯溶剂化，体积增大。,较大的空间效应使它进入1位。,64,螯合效应：,能够发生螯合,效应的条件：,1,杂原子能与,试剂结合；,2,）所形成环为,五员环或六员,环。,65,原位取代,(Ipso,取代):,在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用称,Ipso,效应：,取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷,的能力。,CH(CH,3,),2,比较稳定，异丙基容易作为,正离子消除。,66,2. 苯环上亲电取代反应的定位规律,实例及分析：,(Orientation),：,67,反应：芳环活性,芳环定位规律,苯与甲苯相比：,H,2,SO,4,强于,AcOH，,条件苛刻,速度，甲苯硝化是苯的23倍，硝基苯是苯 610,8,倍，,反应速度的快慢，取决于取代基对苯环的影响,产物分配不同,这些说明反应活性：甲苯苯硝基苯,68,这样就归结到基础部分中的取代基分类，取代基定性的分为,以下五类：,氰基、硝基和季铵基为强的致钝的间位定位基，反应要在,强烈的条件下进行, ,OH，NH,2,是高度致活的邻、对位定位基, 烷基、酰胺、烷氧基活化邻、对位，但不如,OH,和,NH,2,卤代苯，是致钝的邻、对位定位基, 羰基(含醛、酮、羧酸及衍生物)是致钝的间位定位基,69,以下面表图说明：,NH,2,，NHR，NR,2,，OHNHCOCH,3,，ORC,6,H,5,，RH,强烈活化 中等活化 弱活化,o，p,位定位基,F，Cl，Br，I,NO,2,，N,+,R,3,CN,COOH,COOR，COR，SO,3,H,CF,3,弱致钝 强致钝,o,p-,位定位基,m,位定位基,为什么？,70,当有致活和致钝基团同时存在，亲电取代以致活定位的产,物为主,当有强致活和弱致活基团同时存在，应以强致活定位为主,条件的选择： 反应的致活基的亲电取代，条件 ，注意选择,在选择时，要从各方面的因素考虑：溶剂、酸、碱、温度、,催化剂等,从图例中应注意到：,71,取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系,从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度,定位效应的定量表示方法分速度因素,选定相对于苯(定为,1,),的总速度，然后把这个总的相对速度与,其它底物的邻、间、对取代反应结果所得产物的分数相乘，就,给出相应于不同取代位置时的反应速度，用下列方程式表示：,1. 分速度因素的含义,芳环上不同位置的反应速度因素称为分速度因素，用,f,表示。,72,方程式表示：,其中6 是指苯的六个可被取代的位置，常数,Y,表示可被取代的邻、间、对位的个数,K,(,底物),指底物的相对反应速度,K,苯,指苯的相对反应速度，为 1,通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的,速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以,苯的取代速率的结果。,73,比较：前面已经提到，甲苯硝化的速度是苯的23倍，,产物分数是，邻位63%，间位3%，对位34%,以甲苯硝化与苯的硝化为例进行讨论,结果分析：,甲苯间位的硝化速度比苯快2.1倍,甲苯对位的硝化速度比苯快46.9倍,甲苯邻位的硝化速度比苯快43.5倍,74,2. 选择性,从分速度因素分析，对两种选择性加以讨论,以甲苯、苯的硝化为例的结果分析：,甲苯间位的硝化速度比苯快2.1倍,甲苯对位的硝化速度比苯快46.9倍,甲苯邻位的硝化速度比苯快43.5倍,底物选择性(同一亲电试剂，不同底物),对不同底物，亲电试剂具有选择性，称“底物的选择性”,而总反应速度仅是苯的23倍,75,底物选择性高，产物中的间位和对位产率相差很大,底物选择性低，产物中的间位和对位产率相差不大,底物选择性大小不仅是一种指标，经验告诉我们，,底物选择性小的反应，不是亲电试剂特别强,，,就是底物易被取代。,实验证明：,76, 位置选择性(同一底物，不同的亲电试剂),同一底物芳环上的三个不同位置的相对取代速度，,这种选择性称“位置选择性”,它是指同一取代苯分子内起作用的因素。不同取代，,这种选择性是不同的，这与取代反应机理，定向基团,在起定位作用中有利于某一位置的过渡态中间体的形,成因素有关。,77,一般来说，位置选择性与底物选择性是不可分割的，,高的底物选择性的亲电取代反应，一般显示小的,o:p,比,例，和微不足道的间位取代,。即邻、对位比例相差不大，,主要指定位效应强的(,OH，NH,2,，)，,例如甲苯硝,化，邻、对位比例很小，间位很少。,另外，亲电试剂如果很活泼，它对位置选择性差，也会,显示较低的底物选择性, 位置选择性与底物选择性的关系,78,表 甲苯进行某些亲电取代反应的选择性,反 应 分速度因素,f,0,f,m,f,p,硝化,HNO,3,+ CH,3,NO,2,38.9 1.3 45.7,卤化,Cl,2,/CH,3,COOH 617 5 820,Brl,2,/CH,3,COOH-H,2,O 609 5.5 2420,质子化,H,2,O-H,2,SO,4,83 1.9 83,H,2,O-CF,3,COOH-H,2,SO,4,330 7.2 313,酰基化,PhCOCl/AlCl,3, PhNO,2,32.6 5.0 831,CH,3,COCl/AlCl,3, ClCH,2,CH,2,Cl 4.5 4.8 749,烷基化,CH,3,Br/GaBr,3,9.5 1.7 11.8,(CH,3,),2,CHBr/GaBr,3,1.5 1.4 5.0,PhCH,2,Cl/ AlCl,3,4.2 0.4 10.0,o,，,m,，,p,分别为,：,o,rtho,m,eta,p,ara,79,从表中数据显示：,fpfo,从定位效应来讲，甲苯是邻、对位定位基，分速度因素也,证明了这一点，但为什么对位又大于邻位呢？, 邻位的反应速度除受电子效应致活外，还受甲苯,位阻的致钝作用,f,o,值的大小，不能与间位和邻、对位亲电取代的选择性作比较,如：甲苯，对位大于邻(产物比率)或对位快于邻(分速度)，,而硝基苯的间位由定位效应控制,80,表 各种取代苯的硝化产物异构体比率,N,H,3,3-5 35-50 50-60,N,+,(CH,3,),3,0,89 11,CH,3,N,(CH,3,),2,0 85 15,S,(CH,3,),2,4 90 6,NO,2,5-4 91-93 0-2,COOH 15-20 75-85 -1,CN 15-17 81-83 -2,COOC,2,H,5,24-28 69-73 1-6,COCH,3,26 72 0-2,F 9-13 0-1 86-91,Cl 30-35 -1 64-70,Br 36-43 1-2 56-62,I 38-45 1-2 54-60,CCl,3,7 64 29,CF,3,8 91 3,CH,2,CN 24 20 56,CH,2,NO,2,22 35 23,CH,2,OCH,3,51 7 42,CH,3,50-53 24 34-41,CH,2,CH,3,46-50 2-4 46-51,OCH,3,30-40 0-2 60-75,邻 间 对,o- m- p-,81,在实际中，人们认识到，反应活性和选择性与过渡态在反应,坐标中的位置有关,3. 过渡态难易对活性和选择性的影响,反应活性高的,A,和反应活性低的,B,亲电体形成的过渡态,B,82,A：,活性强的亲电体与苯环形成,络合物的自由活化能低，,s,络合物在能量上和反应物差不多，结构相似，因而，在没,有等到体系的各个异构体达到热力学平衡就通过过渡而释,放出质子形成稳定的产物，这种反应受动力学控制(过渡态)，,称早期过渡态。,83,B：,活性弱的亲电体，反应慢，形成,络合物在能量上和结构上不同于原有的芳香体系，,络合物的正电荷受到定位基团的分散影响较大，于是邻、对位的比例有彼此调整的机会，这类反应受定位效应的支配大些，称晚期过渡态，动力学控制稍差一些。,B,84,苯环取代反应中过渡态和中间体能量示意(以溴化为例),Br,+,与苯环形成,络合物,络合物，需要一,个能垒，,G,络合物去,H,+,而形成产物,85,图：亲电芳香取代反应的各种势能图,86,D：,这种情况下，质子的除去和 芳香化过程是限制速度步骤。,在总结前面提到的一些概念，应当对各个亲电芳香取代反应来说，,至少有这四种类型的能量剖面图。,解释：,A：,亲电体的产生是决定速度步骤。它非常容易用动力学的方法加以证明，,这种情况的特征是速度律与芳香化合物的浓度无关。,B：,表明,络合物的形成是决定速度步骤，而且亲电体选择性低。在这种,情况下，速度律中应当同时出现亲电体项和芳香化合物项，这种势能,图预料选择性低。,C：,络合物的形成是决定速度步骤，同时亲电体选择性较高，所以是一,个晚期过渡态。,87,5.4 个别取代反应机理,88,一、反应机理涉及的基本问题：,定位作用和选择性的方式：定位效应决定后，,邻、间、对的比率问题？,1. 哪一个是活泼的亲电体？,2. 在反应过程中哪一步决定反应速度?,89,二、硝化反应,1. 机理：,在前面的讨论中，对硝化反应的机理以三种情况进行,了讨论，,不管哪种过程，都要进行下列三种途径。,90,. 亲电体的产生,. 亲电体对芳环的进攻，生成,络合物,. 去质子作用,91,以上机理的讨论得出：反应为一级动力学控制，即反应速度只与,HNO,3,浓度有关，与芳环浓度无关，决定速度步骤是亲电体的形成，所涉及的反应有：,92,对活性较大的底物属一级动力学控制，但对于底物活性,低者，第二步反应速度变慢，其反应速度与底物浓度有,关，此时，反应为二级动力学控制。,以上亲电体,HNO,3,+CH,3,NO,2,和,HNO,3,+CCl,4,93,H,2,SO,4,催化第一步反应，而增加整个反应速度，若加入硝酸盐,可降低反应速度，外加的硝酸根离子抑制了硝酸的离解，因而,降低了硝酸的浓度.,2. 不同介质对硝化反应速度的影响,(1) H,2,SO,4,的作用,94,(2) 在乙酸酐中的硝化反应,向苯环进攻后，,CH,3,COO,为很好的离去基团,这种体系，比非极性溶剂参与的反应快得多。,95,H,2,SO,4,+HNO,3,； HNO,3,+CH,3,NO,2,; HNO,3,+(CH,3,CO),2,O,3. 不同反应体系对硝化反应的影响,不同反应体系，即亲电体的体系对反应的相对速度，活性，,选择性的影响,分别进行讨论。,96, 不同体系对反应活性的影响：,一些烃的相对活性,底物,H,2,SO,4,-HNO,3,CH,3,NO,2,-HNO,3,(CH,3,CO),2,O-HNO,3,1 1 1,17 25 27,38 139 92,38 146 -,38 139 -,36 400 1750,97,HNO,3,+(CH,3,CO),2,O,取代基对速度有较大的依赖关系。,从表中可以看出：,H,2,SO,4,HNO,3,体系，属一级动力学控制，只与,HNO,3,浓度有关，决定 速度步骤是,NO,2,+,的生成，反应活化能低，反应速度决定于硝基正离子与芳环的碰撞速度，这种速度与取代基的效应无关，选择性低，如甲苯的硝化。,HNO,3,CH,3,NO,2,为中等选择性，取代基效应对速度有,依赖关系。,98, 不同体系对烷基苯的分速度影响,H,2,SO,4,-HNO,3,CH,3,NO,2,-HNO,3,(CH,3,CO),2,O-HNO,3,f,o,f,m,f,p,f,o,f,m,f,p,f,o,f,m,f,p,甲 苯 52.1 2.8 58.1 49 2.5 56 49.7 1.3 60.0,乙 苯 36.2 2.6 66.4 32.7 1.6 67.1 31.4 2.3 69.5,异丙苯 17.9 1.9 43.3 - - - 14.8 2.4 71.6,叔丁基苯 - - -,5.5 3.7 71.4 4.5 3.0 75.5,底物中，取代基的空间位阻影响反应速度及位置选择性，,如异丙基，叔丁基的空间位阻作用，反应的分速度因素，,对位大于邻位以及间位。,底物,99,3. 取代基对反应活性和位置选择性的影响,以硝基苯和硝基甲苯为底物，相对活性和异构体分布,相对活性 邻 间 对,产 物,1 7 92 1,345 29 1 70,138 38 1 60,217 100 0 -,从空间位阻、定位效应考虑，甲基是,推电子基，邻对位致活，硝基致钝，,又为间位定位基,底物,100,从以上的讨论可以看出：,对于芳环硝化反应,底物的定位效应，由给电子基团，吸电子基团的性质决定,H,2,SO,4,HNO,3,52.1 58.1,17,CH,3,NO,2,HNO,3,49 56,25,(,CH,3,CO),2,OHNO,3,49.7 60,27,活性,所以，选择任何一种体系，邻、对比率相差不大，都可以选择。,不同的硝化体系对反应速度，位置选择性有关,当以上两条决定后，还要考虑产物的分配比率,例如甲苯硝化：,101,H,2,SO,4,HNO,3,- -,CH,3,NO,2,HNO,3,- 71.4,(,CH,3,CO),2,OHNO,3,- 75.5,102, 在酸性条件下的,HOCl,二、卤化反应,1. 卤化试剂：, 分子态的,Cl,2,、Br,2,、I,2,与路易斯酸共存的卤化剂, Hg,II,的作用,103,2. 卤化反应(指,Br、Cl、I,的反应),分子态的,X,2,对芳烃的亲电取代反应,X,3,离子对反应速度的影响，,Br,2,、I,2,容易形成相应的正离子，可它,的负离子,Br,、I,不活泼，在卤化反应中，卤负离子越积越多，,Br,3,、 I,3,也越积越多，不利于亲电取代反应 的进行,反应特点：, 无催化剂存在下，是活泼的亲电试剂，活泼性次序是,Cl,2,Br,2,I,2, 在非极性溶剂，,CCl,4,、ClCH,2,CH,2,Cl,中，反应慢, 在酸性介质中，反应加速，因为:,104,在酸中，有利于,ClCl,键的异裂,105,在实际合成中，用,Cl,2,作氯化剂，通常在,AlCl,3,存在下进行，,反应速度属动力学三级控制，即：,反应速度,KArHCl,2,AlCl,3,这样，底物的选择性，比没有催化剂的氯化反应选择性降 低,(反应速度)，这是由于催化剂,AlCl,3,消弱了,ClCl,键，降低了,亲电进攻的活化能，亲电试剂很活泼，过渡态在反应进程,中生成较早。,与三者的浓度有关,Cl,2,AlCl,3,是很好的氯化体系，包含有下列速度平衡：,3.,AlCl,3,作催化剂的氯化反应,106,分子溴是很活泼的，没有催化剂也能很快发生反应,4. 溴化反应,反应速度只与,Br,2,的浓度有关，为一级动力学控制的反应,107,溴化的特点是底物选择性大, 从分速度因素,f,值和哈密特方程中的,值 都能得到证实。,值 分速度因素(,f,p,),溴化 -13 2420,硝化 -6.4 45.7,溴化反应也可在催化剂如路易斯酸，与氯化一样，,催化剂的影响下，底物的选择性下降。,108,5.,HOBrCH,3,COOH,体系进行的溴化反应,这个体系的反应活性随羧酸的酸性增强而增大，,例如，以,Br,2,定为1，,CH,3,COOBr,为10,6,，而,CF,3,COOBr,为10,10,。,109,6. 分子碘的碘化反应,分子碘与溴和氯相比，活性低些，只有在底物非常活泼如苯胺、苯甲醚等，才有可能碘化,另外，,I,Cl,，,由于,Cl,的高电负性，使,I,以,I,进行亲电取代反应，,此反应中，,ZnCl,2,、CH,3,COOI(H)、CF,3,COOI(H),可催化碘化反应。,110,付氏反应，指芳香族化合物在酸性催化剂存在下与酰氯、,酸酐、氯代烷的反应,三、付氏反应,FriedelCrafts reaction,弗瑞德克来福特反应,R=,烷基，芳基(,CH,3,，C,2,H,5,，C,6,H,5,，,取代芳基等),111,1. 付氏烷基化反应,付氏烷基化反应中，常用试剂是,AlCl,3,；H,，,生成亲电试剂有以下几种途径：,由于付氏烷基化反应要在催化剂的存在下进行，反应非常迅速，内在因素,比较复杂，动力学研究的定量数据不多，在研究结构与活性的趋势中，是,用竞争的反应活性数据，而没有用直接测量的方法进行，下表中的数据，,是不同的亲电试剂体系与甲苯和苯的作用速度和产物分配比率的研究结果：,112,CH,3,BrGaBr,3,C,2,H,5,BrGaBr,3,PhCH,2,ClAlCl,3,(CH,3,),2,CHBrAlCl,3,(CH,3,),3,CBrAlCl,3,(CH,3,),3,CBrSnCl,4,PhCH,2,ClTiCl,4,p-CH,3,O(Cl)PhCH,2,ClTiCl,4,2.54.1,6.5,3.2,2.0,1.0,16.6,6.3,97,1.9,0.82,1.2,0,0,0.74,0.40,付氏烷基化反应中甲苯苯的反应活性比,K（,甲苯）,K (,苯),甲苯,o : p,之比,亲电试剂,113,从表中数据可以看出：,付氏烷基化反应的选择性不强，只是苄氯和对甲氧基苄氯作为亲电,试剂时，选择对位多于邻位,例如：,甲苯苯相比，活性相差不太大，邻、对位比率相差也不太大,空间位阻效应，使对位产物多于邻位,在催化剂存在下的苯烷基化，容易发生异构，,114,对于烯烃作亲电试剂的烷基化反应研究甚少，但一种工业制备苯乙,烷的方法却很常见,这种反应，原子的利用率很高，几乎无副反应产生。当用醇作烷基化试剂时，常用含质子的酸作催化剂，如,HFH,2,SO,4, H,3,PO,4,其作用机理是：,115,酰基化反应中，亲电试剂是,COCl、COO,或它们的络合物，催化剂是路易斯酸，通式为：,2. 付氏酰基化反应,116,作用机理：,特点：,这类反应的动力学研究不太容易，与烷基化反应差不多，数据不多,X,射线衍射对下列形式是肯定的,117,在非亲核性溶剂中，核磁共振法证明酰基正离子的存在，而碳正离子,的正电中心可能移到氧上，试验发现：,其,CO,键缩短,酰基化反应的选择性，包括底物的选择性和位置选择性都不太好,下表列出付氏酰基化反应中底物选择性和位置选择性,118,付氏酰基化反应中底物选择性和位置选择性,亲电试剂,K,甲苯,/,K,苯,(速度) 甲苯产物邻对位,的比率,CH,3,COClAlCl,3,CH,3,CH,2,COClAlCl,3,CH,3,CO,+,SbF,6,HCOFBF,3,2,4-,二硝基苯甲酰氯,AlCl,3,C,6,F,5,COClAlCl,3,PhCOClAlCl,3,o-CH,3,PhCOClAlCl,3,o-CH,3,OPhCOClAlCl,3,134,106,125,35,29,16,153,164,233,0.012,0.033,0.014,0.82,0.78,0.61,0.09,0.08,0.2,119, 甲苯与苯相比，相对反应活性之比为100200之间，,邻/对的比率确很小,从表中数据可以看出：, 带有拉电子取代基，相对活性小些, 由于酰基化是以络合物形式进攻芳环，其位阻大，,所以 对位产物多于邻位,实验事实证明了以上结论,120,7.7,芳环亲核取代反应,121,脂肪族卤代烷容易进行,S,N,1,和,S,N,2,反应，而卤代苯在相同,的条件下，难以发生反应：,为什么？,122,实验事实:,123,卤乙烯型卤代烃,卤乙烯型中的典型化合物就是氯乙烯，其结构特点：,氯原子的-,I,效应和,p,-,共轭效应共同影响的结果，从,而使键长发生了部分平均化。即：,124,由此证明：氯乙烯分子中的,CCl,键结合的比较牢固，,因而,Cl,原子不活泼，表现在：,不易与亲核试剂,NaOH、RONa、NaCN、NH,3,等发 生反应；,125,烯丙基型卤代烯烃（,RCH=CHCH,2,X）,126,127,128,原因：(从内在结构找原因),R-CH,2,-X,与,X,相连的,C,为,sp,3,杂化,Ph-X,与,X,相连的,C,为,sp,2,杂化,sp,2,杂化形成的,CX,键比,sp,3,杂化的,CX,键稳定，同时,X,的,p,电子与芳环,键形成,p-,共轭，导致,CX,键难以断裂，所以芳环的亲核取代比脂肪卤代烷难。,但是，当芳环上取代基的邻位有,NO,2,、CN、COCH,3,、CF,3,等强吸电子基团存在，亲核取代方可进行。,其反应历程常有两种说法：即加成消除机理和消除加成(又称苯炔机理)机理,。,129,一、加成消除机理,1. 机理,130,首先是亲核试剂进攻连接取代基的碳，生成类似于亲电取代反应中间,态的,络合物，接着消除原有的取代基，生成亲核取代产物(这与亲,电取代的差别在于，不是原有取代基的邻、间、对位了)。当邻、对位,有拉电子取代基时，取代反应明显加快。,131,2. 加成消除机理的证明, 用不同离去基团对反应速率的影响证明,要证明不是,L,先离去，而是氢,化吡啶先加成。,当,L = -Cl, -Br, -I, -SO,2,Ph , -SO,2,和 对硝基苯氧基时，实验结果是，,反应速率差别不大，最大差别为5倍。这说明，若是,L,离去是决定,速度的步骤，那么速率差别应该很大，实际上小，这说明反应是,先加成，后离去。,132,用不同离去基团对,Nu,进攻速率的影响证明，（第一步反应的证明），,反应速率的次序,是,FCl，BrI，F,取代的速率比,I,取代高3300倍。,说明：离去基团的电负性愈强，则连接离去基团的,C,越正，亲核试剂的进,攻也就愈强。证明了加成的一步是决定反应速度的步骤，另外，当离去基,团电负性很强，它能稳定负离子，离去的速度也就慢，有的教材上写有：,当,L,电负性很强，使中间体非常稳定，导致,L,离去很难。,133, 当,L,是不易离去基团时，中间体可以被离析出来,如：2,4,6三硝基苯甲醚和,KOC,2,H,5,作用,2,4,6三硝基苯乙醚和,KOCH,3,作用,形成同样的产物，用,NMR,得到了证明：,以上三种分析，证明了加成消除机理的正确性。,134,二、消除加成机理(苯炔机理),这种机理是指环上没有强吸电子基的卤代芳烃与氢氧化钠水溶液共热，,难以发生亲核取代反应。但是在强烈的条件下，或者用碱性极强的试剂,(如,NaNH,2,/,液,NH,3,),还是可以进行反应的，这种反应是按消除加成机理,进行，如：,1. 机理,135,2. 特点：, 产生混合物,的生成，加成就有两种方向，因此，生成的就不一定都是取代其进入离,去基团原来所在的位置上的产物。例如：,由于,136, 当底物分子中卤原子的两个邻位都已被其他基团占据，反应就不是,按这种机理进行，而只能是加成消除机理了，如：,因为不可能形成苯炔中间体。,137, 取代基的性质对产物分布的影响,苯炔加亲核试剂，环上原有取代基对加成方向的影响主要是它的诱,导效应。环上原有一个取代基(以,Z,代表)，形成的苯炔,有以下两种形式：,对于,B：,若,Z,是给电子基，亲核试剂进攻,C3，,Z,是吸电子基时，亲核试剂进攻,C4,对于,A：,若,Z,是给电子基，,亲核试剂进攻,C3，,Z,是吸电子基时，,亲核试剂进攻,C2,138,139, 若,Z,是电子效应很弱的甲苯，一般得到两种异构体,含量相当的混合物,40% 60%,140,芳香族重氮离子,ArN,2,+,带有一个极好的离去基团，受热时，这个离去基团以分子,N,2,形式离去，形成芳香碳正离子，,这种中间体非常活泼，能很快与亲核试剂结合，,生成芳香环上重氮取代的产物，这种机理称单分子取代机理,三、单分子取代机理,如何得到,: -F, -Cl, -Br, -CN,或,-H,等,141,例如：,142,四、苯炔的应用(,DA,反应，双烯加成),143,